Çapraz akışlı (cross-flow) çarpma

hızın artışı, sınır tabakayı ince tutar ve sonuçta ısı transfer oranı yükselir.Duvar jet bölgesi ortalama basınç gradyanının serbest olduğu bölgedir. Burada akış azalarak yayılır. Başlangıç sınır şartları altında bir türbülansa geçiş, jet sınır tabakadaki oluşmuş büyük eddylerin çarpması ile başlar. Bu türbülans iletiminin lokal olduğuna inanılır ve ısı transfer oranı ilerledikçe azalır.

3.12.3. Çapraz akışlı (cross-flow) çarpma

Çoklu jetlerin performansı ve Çarpma kanalındaki akış (jet çıkışı ve çarpma düzlemini çevrelen boşluk) tekil jete göre farklılıklar gösterir. Çarpma kanalındaki çapraz akış atık jetlerin bir parçası olarak gelişir. Bu akış, jetin akış hacmine dik doğrultudadır ve çarpraz-akış (cross-flow) olarak adlandırılır. Çapraz akış, bir jeti çarpma yerinden uzaklaştırmaya çalışır. Eğer çapraz akış güçlü ve jet de çarpma düzleminden yeterince uzakta ise, çapraz akış jeti çapma düzleminden uzaklaştırabilir. Bu çarpma tipi soğutma (ısı transferi) verimliliğini azaltan bir olaydır. Bir jet büyük açı ile çapraz akış içine doğru boşalırsa, burada iki akış arasında karmaşık bir etkileşim oluştuğu ve buda çapraz-akım doğrultusundaki jetin sapmasıyla sonuçlandığı iyi bilinmelidir. Bu durum Şekil 3.8 de gösterilmiştir.

Şekil 3.8 Çarpma sıra jetinde etkileşim alanları

Cross-flow etkisi

Jet akışı Akış doğrultusunda uzakta bir çift dönen girdap oluşturur. Jet çıkışı yakınındaki yapı çoğunlukla akım çizgisi boyunca yok olan halka şeklinde bir yapıdır.

Jet-çapraz akış (cross-flow) karışım bölgesinde yüksek derecede üç boyutlu yapıya bağlı olan ve normal olarak durağan ve dinamik etkileşimler sebebiyle oluşan birkaç girdap sistemi vardır. Kararlı jet sistemleri çoğunlukla dönen girdap çifti ve jet çıkışında at nalı girdabı gibi dürülmüş yapılar içerir. Kararsız yapılar jetin hemen çıkışında akım boyunca oluşan kararsız aktif akım girdapları ve serbest jet sınır tabaka girdaplarından oluşurlar.

3.13. Sıvı Kristalin Yapısı

Thermochromic sıvı kristalleri (TLC) molekül yapıları ve optik özellikleri sıcaklık ile değişen malzemelerdir. Sıvı kristaller, Nematic,Cholesteric ve Sematic olmak üzere 3 değişik yapıdadır. Bunlardan Cholestatic sıvı kristalleri sıcaklık değişimine bağlı olarak renk değiştirme kabiliyetleri vardır. Bunlar ısı transferi çalışmalarında yaygın kullanılmaktadır. Cholesteric sıvı kristalleri, cholesterol’ün organik esterleridir. Bu da bu maddelerin beyaz ışıkla aydınlatıldıklarında seçici bir şekilde spectrum’un sınırlı bir kısmının yansıtılıp geri kalanını emer ya da geçirir. Siyah bir zemin yansıtılmayan ışığı emer ve yansıyan sinyalin uzaklaşmasını engeller. Yansıma ışığının dalga boyları sıcaklığa bağlıdır. Isıtılınca renk kırmızıdan yeşile yeşilden maviye doğru değişir soğutulunca ise tersi gerçekleşir.

Püskürtülebilen bu bağlayıcı maddenin içinde asılı duran 5 ila 10 μm çapındaki koruyucu kapsüllerin içine hapsedilmiş sıvı kristaller kullanarak (TLC thermal sıvı kristal tekniği) mikro kanatları olan bir kanalın ısı akısı ve sıcaklık dağılımının zamana bağlı olarak deneysel incelenmesi yapılabilir. Sıvı kristallerin ergime sıcaklıklarının üzerinde renklerin meydana gelmesi sıcaklığa bağlıdır. İki sıvı kristali karışımı içerisindeki malzemelere bağlı olarak ortalama renk cevapları meydana gelebilir. Sıvı kristalleri 150 °C üzerinde renk değişimi aralığı 1 ile 20 derece olarak formüle edilebilir ve üretilebilir. Malzemenin viskozitesine bağlı olarak sıcaklık değişimine helisel yapıların cevabı 5 milisaniye civardadır. Yüksek sıcaklık

36

değerlerinde helisel yapıdaki sıvı kristalleri bozulabilir ve bu yüzden renklerin etkisi çok önemlidir. Ölçülen gerçek yüzey sıcaklığından % 10 hata payı okunabilir. Yüzey sıcaklığının ölçülmesinde ±0.1°C seviyesinde kesinlik kolayca elde edilebilir. Çoğu TLC yüzey sıcaklığı ölçümü uygulamaları TLC nin yüzeye uygulanmasından önce nesnenin ince bir tabaka halinde konstrastı arttıran siyah bir boya ile kaplanmasını gerektirir.

Sıvı kristaller, beyaz ışıkla aydınlatıldıklarında seçici davranarak spectrum’un sınırlı bir kısmını yansıtırken, geri kalan kısım emilir ya da geçirilir. Yansıtılmayan ışığın emilmesi ve yansıtılan sinyalin kaybolmasını engellemek için siyah bir zemin gereklidir. Zemin, model yüzeyin üzerine siyah mürekkep ya da siyah boya püskürterek hazırlanabilir. Genellikle siyah boya daha iyi sonuç verir ama çıkarması zordur. Bununla birlikte mürekkep kolayca temizlenebilen tatmin edici bir zemin verir. Sıvı kristal kaplamayı hazırlamadan önce kişi kameranın renk değişimlerini nasıl “göreceğine” karar vermelidir. Kural, sıvı kristal kaplamanın her zaman kamera ile siyah zemin arasında yer almasıdır. Şekil 3.9’da sıcaklıkla renk değişim skalası gösterilmektedir.

Şekil 3.9 Renk değişim skalası

3.13.1. Isı transferi çalışmalarında termal sıvı kristalin uygulanması

Isı transferi ölçümlerinde sıcaklığı izlemek için sıvı kristal kullanımı uygulaması kararlı (steady Steate) ve kararsız (transient ) teknikler olarak sınıflandırılabilir. Steady State (Kararlı) Durum için uygulamada; steady state tekniği, yüzey sıcaklığını izlemek için sıvı kristal kullanan ısıtılmış bir model kullanır. Genellikle yerel ısı transferi katsayıları aşağıdaki denklemden elde edilir.

Bantgenişliği

Sıcaklık

R I q T T q h w r 2 = − = (3.28)

Burada h yerel ısı transferi katsayısını, I akımı, q bilinen ısı akısı, R ısıtıcının alanı başına düşen elektrik direncini, T , uygun yürütülen gaz sıcaklığını (örneğin hava sıcaklığı), Tw yerel yüzey sıcaklığını göstermektedir

r

Şekil 3.10’da ise sıvı kristal kaplama (TLC) uygulaması yüzey gösterilmektedir.

Jet plaka Hedef Plaka Aralık Hava girişi Hava çıkışı Bakış Yönü Şeffaf Malzeme TLC Kaplama Siyah Boya

Şekil 3.10 TLC kaplamalı yüzey

Transient (Kararsız) durum için uygulanması; bu uygulamada yüzey ısıtıcısına gerek duyulmaz. Bu nedenle, eğer yüzey ısı akısına karşılık termal cevap biliniyorsa testte herhangi bir tür model kullanılması mümkündür. Genellikle test süresi içinde sıcaklık

38

artışının model maddesinin içine nüfuz etmesi, model duvar kalınlığıyla karşılaştırıldığında, küçük olduğu varsayılır .(Bkz. Şekil 3.10)

Böylece ısı iletiminin zamana bağlı madde içinde tek boyutlu ve kararsız olduğu düşünülebilir. Sıvı kristal ölçümlerinde karasız durum zamanla yüzey sıcaklığının değişmesidir.

.

Şekil 3.11 TLC kaplamalı yüzeyde ısı transferi gösterimi

Bu değişim sıvı kristaller yardımıyla bulunabilir. Eşit zaman aralıkları için yüzey sıcaklığı ve ısı transferi katsayısı arasındaki bağlantı şöyledir. Ana denklem, sınır şarları ve başlangıç şartları dikkate alınırsa ;

(3.29) _{k T} x ^C T t p ∂ ∂ ^ρ ∂ ∂ 2 2 = ve (3.30) − = − = k T_x h T T x ^{w r} ∂ ∂ ₀ ^{( ) T}t=₀=^Ti T_x=∞=T_i s s p i r i w k t h ve k C burada erfc T T T T α β ρ α β β = = − = − − ) ( ) exp( 1 ² (3.31)

ρ, Cp, ks ; model malzemenin yoğunluğu spesifik ısısı ve termal iletkenliğini, h lokal ısı transferi katsayısını, Ti ve T ilk duvar ve gaz sıcaklıklarını, Tw duvar yüzey sıcaklığını, akım başladıktan itibaren geçen zamanı göstermektedir.

Bu bağıntıdan faydalanarak duvar sıcaklığının bir anda bilinmesi h lokal ısı transferi değerini verir. Eğer Tr sabit değilse sonuç, gaz sıcaklığını ölçülen geçmişteki adımların toplamı olarak ele alarak kolayca hesaplanabilir.

BÖLÜM 4. DENEYSEL VE TEORİK ÇALIŞMA

Yapılan deneysel çalışma 2005 yılında Pittsburg Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü tarafından yapılmıştır. Uygulanan yöntem deneyseldir. TLC,(Thermal Liquid Coating) literatürde bilinen termal sıvı kristallerinin sıcaklığa bağlı olarak renk değişimi yardımıyla yüzeyin ısı akısı ve sıcaklık dağılımının bulunmasıdır. Dijital video kamera yardımıyla deney esnasında bu renk değişiminin filmi ile deney parçasının çeşitli noktalarına bağlı sıcaklık elemanlarından alınan değerler data acquisition sistemiyle kaydedilmiştir. Bu sıcaklık değerleri, bir film görüntü yakalama kartı ve görüntü işleme bilgisayar programı yardımıyla, bir matematiksel yaklaşım yapılmış, ısı akısı, sıcaklık dağılımları ve ısı transferi karakteristikleri bulunmuştur.